CC BY
28
УДК 669.295.04
О. М. Шаповалова, Т. В. Носова
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ 07ЮТ, ОБРАБОТАННОЙ КОМПЛЕКСНЫМИ РАСКИСЛИТЕЛЯМИ
Исследовано совместное влияние группы элементов на свойства стали 07ЮТ, обработанной комплексными раскислителями. Применение новых технологических добавок для внепечной обработки исследуемой стали в промышленных условиях существенно повысило и стабилизировало уровень ее механических свойств. Оптимизированы концентрации алюминия, углерода, марганца для получения заданных механических свойств стали 07ЮТ. Достоверность полученных результатов подтверждена большим массивом статистических данных 150 промышленных плавок по 150 т каждая стали 07ЮТ, обработанной новыми раскислителями на металлургических предприятиях Украины с положительным эффектом.
Развитию экономики Украины способствует расширение экспортно-импортных отношений со странами СНГ и дальнего зарубежья. По данным таможенной статистики Украины в 2005-2006 гг. из Украины экспортировано несколько млн. т ферросплавов, лома черных металлов, готового проката, стальных труб. В последние годы применяется ряд защитных мер собственного внутреннего рынка металла внедрением новых ресурсо- и энергосберегающих технологий в производство, разработкой новых составов конструкционных марок сталей с определенным количеством легирующих элементов.
Конструкционные низколегированные стали 07Т, 07ЮТ, 08ЮТ, 09Г2С, 23Г2А используются в машиностроении, аграрном секторе для кингстонирова-ния кормов, для изготовления кузовов автомобилей, сепараторов подшипников, деталей машин, для получения бронекабельной проволоки, сит, сеток, тонкой проволоки (01,6-2,5 мм) и особо тонкой (0 0,2-0,4 мм), метизной продукции, шахтного оборудования, трубопроводов, в строительной индустрии. В машиностроении существует большая потребность в сталях, предназначенных для глубокой вытяжки и изготовления проволоки. Важнейшее требование, предъявляемое к сталям для глубокой вытяжки и изготовления проволоки - их высокая технологическая пластичность. Сталь, как один из главных конструкционных материалов современности, представляет собой не только двух-компонентный железоуглеродистый сплав. Кроме этих двух основных элементов, сталь содержит марганец, кремний, титан, алюминий, а также примеси - серу, фосфор, азот, кислород, водород. Марганец является основным раскислителем сталей вообще, кремний постоянно присутствует в стали, а углерод - сильный упрочнитель и одновременно легирующий элемент сталей всех марок, от содержания которого зависят структура, фазо-
© О. М. Шаповалова, Т. В. Носова, 2007
вый состав и свойства. Количество этих элементов должно быть ограниченным из-за возможного существенного упрочнения матрицы железа и цементита. Допускаемые ТУ и нормативами широкие концентрационные интервалы этих элементов в стали не позволяют получать высокие и стабильные механические свойства, что снижает их конкурентоспособность на внешнем рынке продаж металлопродукции.
Малоуглеродистая сталь 07ЮТ предназначена для глубокой вытяжки, поэтому в ее составе строго регламентировано содержание элементов-упроч-нителей: углерода, марганца, кремния. Она должна обладать одновременно достаточной прочностью и повышенной технологической пластичностью. Высокая пластичность необходима для деформации путем глубокой вытяжки, а прочность - для снижения обрывности проволоки, предназначенной для кингстонирования спрессованного сена в аграрном секторе. Рекламации по частым обрывам проволоки при кингстонировании требовали повышения однородности состава, структуры полуфабрикатов и стабилизации механических свойств исследуемой стали. Для обеспечения высокой деформируемости необходимо снижение концентрации вредных примесей и улучшение структуры. Применение традиционных ферросплавов не дало положительных результатов по улучшению механических свойств. Традиционные раскислители, получаемые методом плавки (ферросилиций, сили-кокальций, силикомарганец, ферромарганец, ферроалюминий, ферротитан), характеризуются значительным расходом первичного (рудного) и вторичного сырья, электроэнергии, а также существенным загрязнением окружающей среды. Раскисли-тели обладают более высоким сродством к кислороду чем железо, и связывают кислород из оксида железа РеО, растворенного в расплаве, в оксиды металлов-раскислителей.
В НИЛМИТ ДНУ разработаны проф. Шаповаловой О.М. принципиально новые раскислители-мо-дификаторы [1, 2], получаемые безрасплавным экологически чистым способом со значительной экономией всех ресурсов и затрат.
Отличительной особенностью технологических добавок марок ДТ является широкое варьирование их состава, многокомпонентность, многофункциональность (способность одновременного раскисления и вывода серы, фосфора, азота), повышенная активность взаимодействия с расплавом и ускоренная растворимость в расплавах сталей благодаря развитой поверхности стружки.
Использование комплексных раскислителей нового поколения позволило решить одновременно две задачи: уменьшить содержание серы и фосфора, неметаллических включений и повысить уровень и стабильность механических свойств. Этим и определяется актуальность работы, в которой рассмотрено взаимодействие легирующих элементов, в частности, марганца и алюминия и их комплексное влияние на механические свойства исследуемой стали 07ЮТ. Работа выполнена в рамках научной программы согласно теме г/б 7-138-06 на 2006-2008 гг. "Теоретические основы создания неплавленых модификаторов широкого спектра действия для обработки жидкометаллических расплавов".
Целью работы является установление закономерностей взаимодействия марганца с алюминием с учетом влияния углерода, кремния и их совместного влияния на механические свойства для оптимизации состава низколегированной стали 07ЮТ, раскисленной нетрадиционным способом, и улучшения ее качества.
Объектом исследования является сталь 07ЮТ, взаимодействие в ней компонентов Ре, А1, Мп и его влияние на механические свойства - предел прочности и относительное сужение. Для достижения поставленной цели применяли следующие методы исследования: химический, термодинамический, определения механических свойств, металлографический, корреляционно-регрессионный, множественной корреляции с графической табуляцией модели по двум факторам.
Проведены системные исследования термодинамических, физико-химических свойств элементов, входящих в состав стали, строения их электронных конфигураций, отличительных особенностей свойств по сравнению с основным элементом стали - железом.
Химический состав исследуемой стали 07ЮТ для глубокой вытяжки представлен в таблице 1.
Конструкционная сталь 07ЮТ должна иметь высокую пластичность, деформируемость при ограниченной величине предела прочности, с чем связано требование по ограничению содержания марганца в ее составе. По соотношению от/ав = 0,62 сталь 07ЮТ соответствует требованиям, предъявляемым к материалам с высокой пластичностью, для которых, как известно, от/ав = 0,550,66 [3].
Анализ данных показывает [3, 4], что марганец существенно упрочняет железо, а, следовательно, и сталь. Марганец повышает прочность аусте-нита, феррита и цементита. Прочность цементита обусловлена формированием легированного марганцем цементита типа (Ре, Мп)зС. В стали, в присутствии марганца, значительно возрастает количество перлита, благодаря смещению т. Б влево от 0,8 % С (0 % масс. Мп) до 0,3 % С (10 % масс. Мп) с образованием квазиэвтектоида и происходит снижение температуры эвтектоидного превращения от 723 ° С (0 % масс. Мп) до 630 °С (10 % масс. Мп). Следовательно, все 3 фактора - легирование твердого раствора, смещение т. Б влево и понижение Тэ пр при введении марганца обусловливают повышение прочности стали (С < 0,2 % масс.). Марганец хорошо усваивается при введении его в железный расплав, благодаря большой разнице температур плавления (ТшРе = 1539 °С, ТплМп = 1244 °С, АТ = 295 °С). Марганец образует с кислородом ряд оксидов, термодинамическая устойчивость которых падает в последовательности: МпО ^ Мп304 ^ Мп203 ^ Мп02 [5]. Оксид марганца МпО имеет наиболее высокую температуру плавления (1785 °С), благодаря образованию двух стабильных конфигураций - атомной э2р6 и связывающей конфигурации д5 [5]. Марганец:
- обладает большим сродством к кислороду (-АНМпО = 385 кДж/моль и ТплМпО =1785 °С), хотя такие элементы как А1, Б1 и Т имеют еще большее сродство (-АНА1203 = 1674 кДж/моль, -АНТЮ = 519 кДж/моль, -АН5'02 = 909 кДж/моль); но достаточным для раскисления кипящей стали при введении его в количестве 0,3-0,5 % Мп; в то же время он слабо влияет на активность кислорода (е°Мп = - 0,03);
- не проявляет модифицирующих свойств из-за низкой температуры плавления оксида МпО (1785 °С) и карбида Мп3С (1520 °С);
- имеет значительное сродство к сере в сравнении с
Таблица 1 - Химический состав стали 07ЮТ по ВТУ 14-15-215-89
Сталь Химический состав, % масс. Механические свойства
С Mn Si S P ТС А1 ае, МПа НВ, МПа %
07ЮТ 0,09 0,1-0,3 0,04 0,055 0,045 0,015-0,08 0,01-0,05 380-400 363 76-78
—0т19яяяяяВестникядвигателестроенияя1 1/п007
- 139 -
железом: соответственно □АН1^=96 кДж/моль, Тш FeS =1193 °С; и -A^WMnS=207 кДж/моль, Тш MnS = 1615 °С, то есть он способен активно связывать серу в соединения.
Алюминий обладает наибольшим сродством к кислороду и образует стойкие оксиды с высокими значениями термодинамических характеристик, растворяется в феррите, упрочняет его за счет измельчения зерен феррита, образует широкие области твердых растворов с ОЦК структурой, при этом имеет ГЦК кристаллическую решетку с атомным радиусом 0,143 нм, превышает атомный радиус железа на 13,5 % и замещает атомы железа в ней. Исходя из термодинамических данных, в системе Fe-Al [6] соединения с ГЦК-решеткой отсутствуют, однако углерод в стали 07ЮТ способствует образованию упорядоченного ОЦК-твердого раствора Fe3Al.
На Криворожском металлургическом комбинате, ныне "Кривой Рог Mettal Steel", в конвертерном цехе выплавлена сталь 07ЮТ (150 промышленных плавок по 150 т каждая), обработанная комплексными раскислителями, взамен ферротитана и чушкового алюминия. От каждой плавки отбирали 3 пробы, в которых определяли химический состав по следующим элементам: C, Mn, Si, Ti, Al, S, P. Проводили механические испытания по ГОСТ 149784 и ГОСТ 11701-84 на прочность (сте), твердость (НВ) и пластичность (у), а полученные данные обрабатывали методом множественной корреляции и графической табуляции по двум факторам.
Общепринято [3, 4] коррелировать характеристики механических свойств с каждым элементом химического состава стали. Нами, в соответствии с поставленной задачей, проведена корреляция каждой из характеристик прочности и пластичности (сте, НВ, у) с двумя независимыми факторами одновременно. Это позволило установить комплексное влияние элементов стали 07ЮТ на ее механические свойства и оптимизировать их содержание в стали [7, 8].
Получены нелинейные зависимости комплексного влияния двух элементов - марганца и алюминия на прочностные и пластические характеристики исследуемой стали. Влияние алюминия на предел прочности стали 07ЮТ при изменении содержания марганца от 0,17 до 0,39 % масс. было неоднозначным: при повышенном марганце (0,39 % масс.) алюминий повышал прочность, а при низком содержании (0,17 % масс.) марганца несколько снижал ее. Под действием определенного содержания марганца предел прочности стали 07ЮТ снижался, при этом алюминий нивелировал влияние марганца, не снижая прочности стали. Изменялся характер взаимодействия при варьировании содержания марганца и алюминия в пределах 0,170,39 % масс. и 0,01-0,05 % масс., соответственно. Оптимальным с позиций повышения прочности этой
стали являлось содержание алюминия 0,025 % масс.
Пластичность стали 07ЮТ с повышением концентрации алюминия (0,01-0,05 % масс.) возрастала тем в большей степени, чем выше было содержание марганца, равное 0,4 % масс. Марганец в присутствии алюминия повышал пластичность: с увеличением его концентрации от 0,17 до 0,39 % масс. относительное сужение возрастало, начиная от минимального значения 72 % при 0,23 % Мп и 0,01 % А1. Наиболее благоприятными следует считать концентрации в стали 07ЮТ Мп = 0,25-0,30 % масс. и А1 = 0,025-0,05 % масс.
Марганец и алюминий имеют весьма ограниченную взаимную растворимость 1,4 % масс. Мп при 660 °С, поэтому они образуют при высоких содержаниях марганца инконгруэнтно плавящиеся химические соединения, которые мало устойчивы в области высоких температур [6]. Поскольку концентрация марганца для образования интерметаллид-ных фаз достаточно высокая (от 26 до 58 % Мп), маловероятно образование их в стали 07ЮТ, где содержание марганца не превышает 0,1-0,3 %, а алюминия 0,01-0,05 %. Поэтому потеря прочности стали 07ЮТ при повышении содержания марганца, по-видимому, связана с влиянием третьего элемента, с большим сродством к марганцу, например, углерода, серы, фосфора. Влияние алюминия неоднозначно, он нивелирует влияние марганца.
Предел прочности стали 07ЮТ составлял ав = 420 МПа в интервале концентрации марганца 0,230,26 % масс. и концентрации алюминия 0,018 -0,025 % масс., что отвечало требованиям, предъявляемым к этой стали.
В рассматриваемых системах на основе железа, углерода, марганца и алюминия, возможно образование карбида МП3А1С, который, растворяя полностью железо, обладает частичной или полной взаимной растворимостью в твердом состоянии. Этот карбид изоморфен перовскиту (Ре3А1С). По-видимому, часть атомов алюминия переходит из кристаллической решетки железа на построение карбида совместно с марганцем. Переход атомов алюминия способствует повышению пластичности (у) стали 07ЮТ. Наиболее допустимая концентрация марганца в стали 07ЮТ составила 0,26 % масс., с учетом нижнего и верхнего пределов его содержания (от 0,10 до 0,30 % масс.).
Выводы
1. Установлено снижение прочности стали 07ЮТ под действием определенных концентраций марганца и алюминия, причем, алюминий нивелировал влияние марганца.
2. Выявлено значительное повышение пластичности (у) стали 07ЮТ при комплексном воздействии содержания марганца и алюминия, причем, пластичность возрастала тем в большей степени, чем
- 14Ц -
выше было содержание марганца. Это явление характерно для данных низколегированных сталей.
3) Установлены и определены допустимые пределы концентрации углерода, марганца и алюминия в стали 07ЮТ.
Использование комплексных раскислителей нового поколения позволило повысить качество исследуемых сталей, а применение современного математического метода анализа - оптимизировать как химический состав, так и механические свойства стали.
Перечень ссылок
1. Шаповалова О.М. Переработка отходов цветных металлов // Состояние, проблемы и направления развития производства цветных металлов в Украине. Сб. н. тр. - З. - 1999. - С. 65-72.
2. Шаповалова О.М. Высокоэффективные раскис-лители-модификаторы-микролигатуры // Строительство, материаловедение, машиностроение.
- Д: ПГАСИА. - 2001. - С. 25-28.
3. Мозберг Р.К. Материаловедение. - М.: Высш. шк. - 1991. - 448 с.
4. Гольдштейн М.И. Специальные стали. - М.: Металлургия, 1985. - 300 с.
5. Соколовская Е.М., Гузей Л.С. Металлохимия.
- М.: МГУ, 1986. - 187 с.
6. Диаграммы состояния металлических систем: Справочник /Под ред. М.Н. Лякишева. - М.: Машиностроение, 1996. - Т. 1. - 395 с.
7. Шаповалова О.М. Влияние углерода на свойства сталей для глубокой вытяжки, обработанных технологической добавкой ДТ1 из отходов
/ О.М. Шаповалова, Т.В. Носова // В^ник Дыпропетровського уыверситету. - 1999. - № 3. - С. 135-137.
8. Шаповалова О.М. Комплексное влияние элементов на свойства конструкционной стали 07ЮТ, обработанной технологическими добавками марки ДТ1 / О.М. Шаповалова, Т.В. Носова, Т.И. Ивченко // Строительство, материаловедение, машиностроение. - Д: ПГАСИА. -1998.- С. 96.
Поступила в редакцию 19.01.2007
Досл1джено сум1сний вплив групи елемент1в на властивост1 стал107ЮТ, оброблено! комплексними розкислювачами. Застосування нових технолог1чних добавок для позап i4-но! обробки досл'джуваноi сталi у промислових умовах суттево п1двищило i стаб1л1зувало р1вень iiмеханiчних властивостей. Оптимiзовано концентрацн алюмiнiю, вуглецю, мар-ганцю для одержання заданих механiчних властивостей сталi 07ЮТ. Достовiрнiсть от-риманих результатiв пiдтверджено великим масивом статистичних даних 150 промислових плавок по 150 т кожна сталi 07ЮТ, обробленоiновими розкислювачами на металур-гйних пдприемствах Украни з позитивним ефектом.
Researched is the complex influence of group elements on properties of 07ЮТ steel, being treated with complex deoxidizers. Using new technological additives for out-of furnace treatment of steel being researched at site has significantly improved and stabilized its mechanical properties. Concentrations of aluminium, carbon, manganese for obtaining preset mechanical properties of 07ЮТ steel have been optimized. Assurance in results obtained has been proved by statistics of 150 heats of 07ЮТ steel processed by new deoxidizers at iron and steel works of Ukraine with positive effect.
—0ml 9яшВестникя)вигателестроенияя1 1/mD07
- 141 -
